[리뷰]내 생에 한 번은 상대성이론 이해하기-스티븐 호킹의 수제자에게 받는 쉬운 강의

천재들의 일화를 들으면서, 또는 천재들의 일생을 다룬 영화를 보면서 나도 한 번 쯤은 저들이 보는 세상을 이해해보고 싶다는 생각을 해 봤을 것이다. 새로운 이론을 발견했을 때의 희열과 성취감을 엿보면서 저 사람들이 얻은 지적인 충만함은 어떤 쾌락을 줄까 궁금하기도 하다. 뭐 저들은 천재니까 이렇게 단순히 넘어갔다면, sf영화의 과학 이론 부분을 접할 때 도대체 저게 뭔 말인지 대충이라도 알아듣고 싶다와 비슷한 생각은 들었을 것이다. ＜내 생애 한 번은 상대성이론 이해하기＞는 그런 지적인 욕구를 충족시켜주는 책이다.

책을 펴자 마자 나오는 사람은 이 책의 저자 크리스토프 갈파르, 영국 케임브리지 대학교에서 고급수학과 이론물리학을 공부하고 무려 스티븐 호킹 교수의 지도 아래 '블랙홀과 우주의 기원' 연구로 박사학위를 받았다고 한다. 어려운 물리 개념들을 쉽게 설명하는 능력을 가졌다고 소개되어 있는데, 이 말이 진실이었느니...

나는 이과 출신에 수학전공이다. 상대적으로 이런 이론들을 쉽게 이해할 수 있는 배경지식을 가졌고, 이과적인 사고 방식에 익숙하다. 그러나 단언컨데, 이 책의 '시작하며'를 편 순간 아, 이 책은 이과적 배경이 없어도 정~말 내가 이과에 재능이라고는 한 톨도 없어도 이해하기 쉽게 쓰였다고 느낄 것이다. 어려운 물리 개념을 쉽게 설명하는 능력이 정말 있구나 싶었다. 이건 이 사람의 재능이다라고 느꼈다. 본인이 아무리 공부를 잘해도(대체로 수학, 과학 전공자들에 그 수가 많다) 남에게 설명하는 능력은 쥐똥만큼도 없는 사람이 있는데 이건 중학생이라도 책을 읽는 집중력만 있다면 이해할 수 있게 설명해 놓은 책이었다.

초반부는 E=mc^2에서 에너지와 질량, 그리고 빛의 속력에 대해 설명하고 이 식의 관계에 대해서 간단히 언급하면서 시작한다. 최대한 어려운 과학적 용어를 사용하지 않았고 수능 비문학처럼 뭐가 무엇인지 머리를 혼란스럽게 하는 문장 구조도 아니다. 인간이 빛의 속도를 감지하지 못하는 이유도 실생활 예를 들어 잘 설명하였고, 빛이 유한한 속도를 가진다는 것을 발견해낸 역사적 사실도 간단한 그림과 함께 아주 쉽게 풀어내었다. 누가 이렇게 쉽게 설명할 수 있을까. 속도가 상대적이라는 것을 설명할 때에도, E=mc^2에서 초래한 결과들에 대해 말할 때에도 굉장히 직관적이다.

결론만 말하자면 이 책은 정말 중학교 이상의 의무교육을 받은 사람이라면 누구든 ＜내 생에 한 번은 상대성이론 이해하기＞가 가능하도록 되어 있다. 성실하게 집중해서 읽는 시간만 있다면 말이다. 다만, 상대성이론에 대한 심층적인 내용을 원하는 사람들에겐 아쉬운 책이다. 하지만 이런 부분들을 추가했다면 분명 이 책의 의도와는 어긋났을 것이다. 직관적이고 쉽게 표현하려는 의도가 명확하며, 과학적 배경지식이 없지만 상대성이론에 대한 교양을 쌓고 싶은 사람들, 중학생 이상의 학생들도 쉽게 이해할 수 있도록 구성되어 있다. 현재 전 세계의 많은 나라에서 문이과 통합교육을 추구하고 있는데, 통합교육의 목표를 아주 잘 살리고 있는 책이라고 생각한다.

추천 : 중학생 이상,

         상대성이론에 관한 교양지식을 쌓고 싶은 모든 이들이 쉽게 읽을 수 있는 책!

         문송하지 마세요~ 문과도 상대성이론을 이해할 수 있게 만든 책!

안개 속을 걷는 듯한 기분으로 읽었지만 ＜호킹의 빅퀘스천에 대한 간결한 대답＞은 무척 감동적이었다. 배경지식이 조금만 있었더라면 좋았을텐데 그러지 못해 아쉬웠다. 내 생애 한 번이라도 상대성이론을 이해할 수 있을까. 그런데 같은 제목의 책이 있었다. 제목 때문에라도 읽지 않을 수 없었다. 책은 무척 짧고, 학교 다니며 혹은 졸업 후 들어본 이것 저것이 나온다. 읽는 동안은 이해한 듯 싶다. 이런 책이 있어 고맙다. 아래는 발췌.

(마이컬슨과 몰리의 실험에서 에테르가 존재하지 않음이 증명되었는데) 달리는 차에서 공을 던지면 공을 던진 속도에 달리는 차의 속도가 더해지듯이 지구에서 쏜 광선의 속도도 지구 공전의 속도가 더해지거나 감해져서 6개월 간격으로 측정해 보면 시속 200,000킬로미터 차이가 나야 하는데, 그런 차이 없이 속도가 한결같았던 것이다. (지구 공전 속도는 시속 약 100,000킬로미터임) p. 23

어떤 속성 때문인지는 몰라도 빛은 항상 같은 속도로 이동한다.
정확히 초속 299,792,458미터다. p.24

맥스웰이 발견한 전자기파에는 빛의 속도에 관한 개념도 포함되어 있었는데, 그 값이 항상 일정했다. p.27

가속도가 없는 한, 둘 중 어느 쪽이 움직인 것이고 움직이지 않은 것인지 알려줄 방법이 없다. 움직임을 확인할 수 있는 절대적인 기준이 없기 때문이다. 즉, 우주에는 발광 에테르 같은 것이 존재하지 않으므로 그 누구도 절대적이고 객관적인 속도는 측정하지 못한 채, 오직 상대적인 속도에서만 의미를 찾을 수 있다.
이러한 이유로 움직이는 속도로는 어떤 사물을 다른 사물들과 구분지을 수 없다. 다만 물체의 속도와 관계없이 항상 똑같이 적용되는 자연법칙만 존재할 뿐이다. 갈릴레오와 뉴턴, 푸엥카레의 생각에 따라, 아인슈타인은 이것을 '상대성이론'이라고 불렀다. p.31

빛의 속도에서는 시간이 멈추고, 질량이 없는 입자만 빛의 속도를 낼 수 있다는 건, 앞서 언급한 아인슈타인의 두 가지가 만들어낸 수많은 이상한 결과들 중 단 두 개에 불과하다. 물체가 빨리 움직이는 상태에서는 우리가 한때 당연히 여겼던 많은 개념들을 다시 생각해야만 한다. p.33

로렌츠는 맥스웰 방정식이 언제 어디서나 성립되기 위해서는 한 관점이 다른 관점으로 변할 때 시간과 공간의 측정값을 그대로 사용해서는 안 된다는 것을 알게 되었다. 방정식에 움직이는 물체의 상대속도를 대입할 경우 우리가 물체를 보는 관점도 함께 바뀌어야 한다는 것이다. 로렌츠가 발견한 이 사실을 수학적인 전환법으로 표현한 것을 우리는 로렌츠 변환이라 부른다. 로렌츠 변환은 시간과 공간, 속도를 모두 섞어놓는다. p.36

1905년 빠르게 움직이는 물체에 대한 논물 발표를 끝낸 직후, 아인슈타인은 상대성이론과 빛 속도의 일관성을 이들과는 전혀 상관없어 보이는 어떤 개념과 연결시켰다. 바로 질량이다. p.41

아인슈타인의 두 가지 원리와 E=mc^2, 민코프스키 시공간은 모두 오늘날 우리가 아인슈타인의 특수상대성이론이라고 부르는 개념의 한 부분들을 차지하고 있다. (...) '상대성'이란, 우리가 가진 직관적인 방식으로 공간과 시간, 거리, 그리고 시간의 간격을 이해하려고 해서는 안 된다는 뜻이다. 두 지점 사이의 거리는 누가 측정하느냐에 따라 몇 미터인지, 얼마나 걸리는지가 달라질 것이며, 사건을 보는 관점도 어떤 시간의 흐름에서 관측하느냐에 따라 달라질 것이다. p.48

양자 세계로 향하는 문은 1900년경, 독일의 물리학자 막스 플랑크가 새로운 공식을 발견하면서 열리기 시작했다. (...) 플랑크는 이 공식을 통해 빛이 작은 에너지 덩어리, 즉 작은 양자small quanta로 되어있다고 되어있다고 발표했지만 그 자신도 진짜라고 믿지는 않았다. (...) 그리고 5년 후, 과학 역사가들이 '기적의 해'라고 부르는 그 해 아인슈타인은 플랑크의 개념이 단순한 가설이 아님을 증명했다. (...) 오늘날 우리는 그 에너지 덩어리를 광자photons라고 부른다. (...) 몇 년 후, 프랑스 물리학자 루이 드브로이는 양자 개념이 물질에도 적용된다는 사실을 밝혀냈다. (...) 곧이어 독일의 물리학자 베르너 하이젠베르크와 오스트리아의 에르빈 슈뢰딩거가 빛과 물질이라는 희한한 에너지 덩어리가 어떻게 움직이고 이동하는지 발견해냈다. 수학적인 운동 방정식을 만들어 낸 것이다. (...) 영국의 수학 물리학자 폴 디랙은 아인슈타인의 원리들을 맥스웰 방정식뿐만 아니라 양자 세계에도 적용할 수 있을 거라고 생각했다. 그리고 역사상 가장 훌륭한 과학 업적 중 하나로 손꼽히는 일을 해냈다. 아인슈타인의 상대성이론을 하이젠베르크와 슈뢰딩거의 방정식과 하나로 묶은 것이다. p.52-53